ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.43.068.8:621.182.232

А.В. Ольхов

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

В статье представлено исследование сжигания жидкого топлива методом компьютерного моделирования, способствующего экономии ресурсов на этапе проектирования. В качестве топлива рассматривались метан, а в качестве окислителя - воздух. Итоги работы представлены графически и отражают температурные поля, а также массовые доли реагирующих компонентов.

Ключевые слова: газовая смесь, ANSYS Fluent, химическая реакция, горение, компьютерное моделирование, температурные поля.

В качестве объекта моделирования выбрано оборудование, используемое на Антипинском НПЗ г. Тюмень: газовая горелка WM-G 50/2-A (Max Weishaupt GmbH), паровой котел высокого давления VITOMAX 200-HS (VIESSMANN).

Перечень решаемых задач:

1. Создание в системе автоматизированного проектирования (САПР) расчетной геометрии, которая является основой для сеточной математической модели.

2.Проведение расчетного исследования процесса горения природного газа с выбором математических моделей.

3.Получение результатов расчетов в графическом формате.

Первый этап моделирования горения в ANSYS CFX это создание общей твердотельной геометрической модели горелки WM-G 50/2-A и котла VITOMAX 200-HS. Данная модель была создана с помощью чертежно-графического редактора Autodesk AutoCAD 2021. Готовая геометрическая модель импортируется в Design Modeler с помощью команды Import External Geometry File [2].

Для создания сетки использовался универсальный сеточный генератор ANSYS Meshing, позволяющий строить сетки на основе гекса-, тетра- и призматических элементов (рис. 1).

L

0,00_ 1000.00 2000,00 (mm)

ш ш ]

500,00 1500.00

Рис. 1. Тетраэдральная сеточная модель

В качестве исходных данных были заданы: массовые доли состава реагирующих веществ, температуры топлива и окислителя (300 К) и давление (1 атм.). Во кладке Mixture Properties выбираются граничные условия:

Модель теплообмена Total Energy, используется для жидкой или газообразной среды, интегрирует уравнение энергии в зависимости от заданного исходного состояния вещества в расчетной области.

© Ольхов А.В., 2020.

Научный руководитель: Кузяков Олег Николаевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой кибернетических систем, Тюменский индустриальный университет, Россия.

ISSN 2223-4047

Вестник магистратуры. 2020. № 5-3 (104)

Двухпараметрическая модель турбулентности k-epsilon Realizable. Непосредственное преимущество "Realizable" k-e модели состоит в том, что она более точно предсказывает распределение диссипации плоских и круглых струй. Это также вероятно обеспечит более лучшее предсказание вращающихся потоков, пограничных слоев подверженных сильным градиентам давления, отрывных течений и рециркуляционных течений

Модель горения Eddy Dissipation Model (EDM). Это модель диссипации вихря, предложенная Спол-дингом и доработанная Магнуссеном, основана на представлении о времени т «жизни вихрей».

Для заданных условий были проведены компьютерные расчеты для двух режимов: стандартная модель горения метана в котле VITOMAX 200-HS и модель горения с рециркуляцией дымовых газов около 5%.

Получены результаты в виде температурных полей в рабочем пространстве (рис. 2 а, б), поля концентраций продуктов сгорания ССЬ (рис. 3 а, б) и поля концентраций NOx (рис. 4 а, б)

Рис. 2. Распределение температурных полей без рециркуляции (а) и с рециркуляцией дымовых газов (б)

Рис. 3. Распределение массовой доли СО2 без рециркуляции (а) и с рециркуляцией дымовых газов (б)

Рис. 4. Распределение массовой доли NOx без рециркуляции (а) и с рециркуляцией дымовых газов (б)

Проанализировав полученные результаты можно сделать вывод, что при рециркуляции происходит выравнивание распределения температур и исключение высокотемпературных зон в топке. При этом в горелки подается частично разреженный воздух и концентрация кислорода у основания пламени понижена, поэтому понижена и температура всего пламени. Это оказывает существенное влияние на образование термических оксидов, но мало воздействует на топливные [3].

Численное моделирование позволяет исследовать процессы, которые трудно наблюдать во время испытаний, но необходимо знать при проектировании.

Библиографический список

1.Ольхов А.В. Повышение энергоэффективности процесса сжигания топлива в котельных установках / А. В. Ольхов. - Текст : непосредственный // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании : Материалы VIII Международной научно-технической конференции. - ТИУ ИГиН. - 2019. - С. 232-236.

2.Основы работы в ANSYS 17 / Н.Н. Федорова, С.А. Вальгер, М.Н. Данилов, Ю.В. Захарова. - Москва : ДМК Пресс, 2017. - 210 с. - Текст : непосредственный.

3.Ольхов А.В. Повышение эффективности работы газовых котельных установок / А. В. Ольхов. - Текст : непосредственный // Кристаллы творчества : Материалы докладов Студенческой академии наук. - ТИУ ИГиН. - 2018. - Т.1. - С. 252-256.

ОЛЬХОВ АРТЁМ ВЛАДИМИРОВИЧ - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.